snap-fit ess battery pack ³ Ê - chemwide · 2014-11-12 · [ ×² 5 | deformation of cantilever...

LG POLYMER JOURNAL | 2014 AUTUMN. 35

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제품설계팀

박종범 [email protected]

Troubleshooting.?

01 개요

플라스틱제품은재료의무게가가볍고재료비가금속

대비상대적으로저렴하며, 사출성형을통해대량생산

이가능하고복잡한형상을쉽게제작할수있다. 때문에

기존의플라스틱제품과더불어금속을대체하는플라스

틱제품의생산도점점증가하고있는추세이다. 이처럼

생산이증가함에따라시장경쟁이치열해지고있기때문

에 설계자에게는 보다 효율적이고 경제적인 생산방식의

개발이 요구된다. 제품 생산비용은 조립 과정과 시간에

의해큰영향을받으며, 제품에따라서조립비용이전체

생산비의 50%를 넘는 경우도 있다. 따라서 생산원가를

절감하면서 구조적 효율성을 높일 수 있는 적절한 조립

방법의선택이필요하다.

플라스틱제품의조립방식으로는결합하고자하는부품

간의 상호 결합, 보조부품 없이 기계적 결합이 가능한

integral attachment와상호결합시보조부품을이용하

여물리적결합혹은체결을이루는 fastening 으로구분

된다. Integral attachment의 종류로는 press-fit이나

snap-fit이대표적이며, fastening은 bolt, nut, screw,

self-tapping screw와 같이 나사선을 가지는 형상들과

pin, nail, rivet, clip, washer와 같이 나사선을 가지지

않는형상들이있다. 이중 snap-fit은가장간편한결속

장치이며 조립과 분리가 간편하여 생산품의 조립단가를

줄일수있다. 또한분리력은큰반면에결합력은작게만

들수있고, snap-fit의탄성을이용하여지속적인체결

과분리를수행할수도있는장점을갖고있어널리사용

되고있다.

Snap-fit은 설계 초기단계에서 재료의 물성과 구조적

강성(stiffness)이 고려되어야 하며, 또한 사출성형 가능

성유무도예측되어야한다. Snap-fit의형상, 치수, 위치

등을적절히설계합성하고적합한재료를선택하는작업

이 재료공급자가 제공하는 설계가이드나상용 CAE소프

트웨어를이용하여결정되기도하지만, 금형설계자의오

랜기간축적된경험과지식에의존하는경우도많다. 금

형 설계자가 제품 도면을 받으면 자신의 경험에 맞추어

최대변형또는과도한응력집중이예상되는부분에직관

적으로 부형상을 덧붙이고, 부형상의 치수나 위치 등도

스냅핏(Snap-fit)을활용한ESS Battery Pack 설계개선사례

경험에비추어설계하게된다. 그러나이와같은설계방

법은오랜경험이축적되지않으면매우어렵고, 그경험

이특정한고분자재료에국한되기때문에새로운형상과

고분자재료를이용한신규제품개발의경우전문가의경

험도단번에좋은설계가나오기힘들어여러번의시행착

오를거쳐야하기도한다.

따라서본투고의ESS Battery Pack 기술지원사례를

예로들어 snap-fit의설계에대해설명하고자한다.

02 Snap-fit의 적용

LG화학에서 자동차 headlamp의 구성소재 및 설계

trend를분석하기위해수행하였던, Toyota사 Camry와

Volkswagen사 Golf 차량의 headlamp teardown

report에서도 조립부에 snap-fit이 적용됨을 확인할 수

있다. 최근자동차산업에서경량화, 원가절감, 조립공수

절감을목적으로여러부품에서 snap-fit을적용하고있

으며, Golf의 headlamp housing의경우에는모든조립

부가 snap-fit으로체결되고있다.

또한국내의자동차 Lamp 제조업체인A사에서는최근

LG화학과의협업을통해최적의성능을발휘하는조립설

계 가이드를 도출하고, 기존의 screw 체결 방식에서

snap-fit으로대체하는것을목표로공동연구를진행하

고있다.

이와같이플라스틱용 snap-fit은다양한목적으로자

동차, 항공, 가전, 생활용품등여러분야에서널리사용

되고있다.

03 외팔보 변형 이론을 통한 snap-fit설계

외팔보변형거동을갖는 snap-fit의설계에있어무엇

보다 중요한 것은 강도와 적절한 결합력의 균형을 찾는

것이다. snap-fit의설계시고려되어야하는인자는부

품간접촉시발생하는마찰력, 적절한변형을위한강성,

충분한체결력을유지하기위한강도등이있다. 마찰력

과강성은결합력을좌우하는재료의물성에서기인하는

동시에최적화된형상을통해결정할수있다. 그림 2와

같이 snap-fit이체결/탈거되는과정에서의결합력및분

리력(mating force, Q and separation force, Q′)은수

직력, 마찰에의한저항력 R, 돌출깊이, 리드각α, α′및

강성의함수이다. α가작으면결합력은감소하고α′과돌

출깊이가증가할수록분리력은커진다. 일반적으로α의

크기는 15~30°가 적당하다. α′의 크기는 적절한 분리력

을위해 90°보다작은범위내에서적당한수준으로결정

해야한다. α′이 90°에가까울경우사출시언더컷과미


[ 그림 1 | Camry VS Golf headlamp housing ]

Toyota Camry

VW Golf

Screw 8ea

Snap-fit 8ea

Troubleshooting.?


스냅핏(Snap-fit)을활용한 ESS Battery Pack 설계개선사례

성형(undercut and slot)을고려하여야한다.

Snap-fit 체결에서필요한결합력Q는변형을위한외

력과같은크기를갖는및마찰력의함수인식 (1)과같이

표현된다.

(1-a)

(1-b)

(1-c)

여기서, μ는 entrance side와상대부품사이의마찰계

수이다. F는처짐력(deflection force)이며, 식 (2)와같고

k는 강성(stiffness), Y는 최대 처짐량(maximum

deflection)을나타낸다.

(2)

식 (2)의 k는 외팔보의 단면관성모멘트(cross-section

moment of inertia)로서외팔보의형상에따른처짐-변

[ 그림 2 | Key factors for mating and separation force ]

[ 그림 3 | Stiffness and deflection of cantilever beam ]

(a) uniform cross-section

(b) uniform width, variable height

(c) uniform height, variable width

형률의관계는그림 3에서확인할수있다. 여기서ε는허

용변형률, E는재료의탄성계수이다.

동일한하중조건에서유한요소해석을통해계산된변

형량은그림4와같다. 결과에서확인할수있듯이변형량

의크기는B>C>A 의순으로나타나며이는식 (2)의물리

적의미를확인해볼수있는결과이다. 그러나그림 3은

단순한외팔보형상의이론적의미에지나지않으므로실

제다양한형상을갖는 snap-fit에서는수치해석과같은

계산도구를이용하여야한다. 대부분의 snap-fit의경우

체결/탈거의형태가반복적으로발생하므로반드시항복

Troubleshooting.?


[ 그림 5 | Deformation of cantilever beam under same load with different stiffness ]

[ 그림 4 | Deformation of cantilever beam under same loadwith different stiffness ]

(a) uniform cross-section

(b) uniform width, variable height

(c) uniform height, variable width

Stress concentration factor

Radius/wall thickness (R/T)

3.0

3.5

2.5

201.5

1.0

2.0

0 1.41.21.00.80.60.40.2

[ 그림 6 | Designs for improved strength ]



강도및항복변형률을고려하여설계되어야하며, 항복

강도의 70% 미만의범위에대한설계값을추천한다. 나

일론과같은재료의경우굴곡탄성계수는습도에민감한

점을고려해야하며, 그이외의재료에서도사용환경에

따라계산된값보다보수적인설계를권장한다.

Snap-fit의설계에있어그림 2와같이리드각및돌출

깊이의적절한값을통해결합/분리력을조정할수있음

을확인하였다. 여기에더하여체결이완료된후체결구

조를 유지하는 것 또한 매우 중요하다. 그림 6과 같이

snap-fit 구조의하단부즉, 기저부의형상에따라굽힘,

비틀림및인장강도는다르게나타난다. (a)와같이적절

한곡률이없는예리한형상으로설계될경우과도한응

력집중이발생하여외력에대한저항은크게감소하게된

다. (a)와같이예리한형상의경우에서 0.5t의크기를갖

는곡률을도입할경우동일한굽힘하중하에서약 25%

의응력집중을감소시킬수있다. 일반적으로곡률의반

지름은기저두께의최소 1/2 이상을추천한다. 그러나곡

률의크기와응력의관계는선형적이지않다. (c)의곡률

은 0.75t이나응력의감소는 (b)에비하여작게나타난다.

또한과도한곡률의크기는결합력을증대시켜체결/탈거

의 과정에서 불필요한 외력이 요구된다. 따라서, 곡률의

크기는결합에필요한외력의크기, 재료의탄성계수및

체결강도를고려하여결정하여야한다.

04 Snap-fit 설계지원 사례

ESS(전력저장장치)에 공급되고 있는 배터리를 개발하

는 B사에서원가절감을목적으로기존제품의 screw 체

결방식을 snap-fit 체결방식으로 변경하여 구조의 설계

검토와안정성을검증해줄것을요청하였다. 해당제품

은총 14개의 catridge가적층되어조립되는형태로그림

7의B사에서제안한다양한형상의 snap-fit을해석모델

로하여CAE를통해최적의 snap-fit을선정하고자하였

다.

각 snap-fit 형상을체결시발생하는응력을확인한결

과, 그림 8과같이모든형상에서체결전에소재의파단

강도이상의응력이발생하는결과를나타냈다.

이는유리섬유보강소재사용에따라고강성이지만낮

은신율을갖는물성특성의영향이있으며, 해당모델에

서는미미한변형에도파단이발생하는것으로판단되었

다. 따라서높은항복강도에낮은신율을갖는소재보다

는다소낮은항복강도에높은신율을가지는소재가잦

은탄성변형과탄성복원이요구되는조립구조에보다적

합하며, 1차개선안으로적정소재로변경을제안하였으

[ 그림 7 | Snap-fit of battery pack catridge ]

Snap-fit

Case 1 Case 2

Case 3 Case 4

나제품의다른사용상의이유로소재변경은불가하여서

snap-fit의형상과치수최적화를추가로진행하였다.

최적의치수를선정하기위해앞서설명한외팔보형태

의 snap-fit 설계이론을바탕으로주요설계인자를변경

하였고, 다른부품과의간섭이나가공상의문제를고려하

여형상을변경하였다. 그림 9는개선된 snap-fit 모델이

고그림 10은완전체결시의유한요소해석결과로, 체결

중발생한최대응력은소재의항복강도대비 70% 수준의

결과를보였다.

추가로체결후의hook부걸림량이미소하게치수가변

경됨에 따라 hook의 형상을 안쪽으로 기울어지게 각을

주어서체결후에쉽게이탈되지않도록제안하였다.

[ 그림 10 | Stress contour of analysis result ]

Troubleshooting.?


[ 그림 8 | Stress contour of analysis result ]

Case 1 Case 2

Case 3 Case 4

[ 그림 9 | Improved snap-fit design ]



05 결론

Snap-fit의설계에있어핵심이되는인자는앞서살펴

본바와같이재료의기계적물성, 사출과정에서의언더

컷 및 미성형, 결합력과 분해력 및 체결강도 등이 있다.

가장빈번히사용되는 snap-fit은외팔보형태에근거한

형상을갖고있으며, 이는외팔보의처짐-변형률관계를

이용하여최적의강성을확보할수있다. 최근에는반복

적인 체결/탈거의 거동을 갖는 snap-fit의 응용 부품이

증가함에 따라 재료의 피로 거동을 나타내는 응력-수명

선도(S-N curve)를참고할필요성도대두되고있다.

당사에서는 snap-fit의설계개선을위한다양한설계

자료를확보하고있으며, 유한요소해석을이용하여설계

근거를 검증하고 있다. 또한 2006년부터는 고객 요구에

보다 신속하고 적극적으로 대응하기 위해 PC환경에서

snap-fit을 포함한 각종 Integral attachments의 설계

치수선정및최적소재선정이가능한자동설계시스템

(LG-WEPPER)을개발하여활용하고있다.

snap-fit ess battery pack ³ Ê - chemwide · 2014-11-12 · [ ×² 5 | deformation of cantilever...

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